基于燃气- 蒸汽联合循环的冷热电三系统的运行优化分析

龙睿洋，袁兴宇，殷捷，梁俊宇

（1.曲靖云电阳光配售电有限公司，云南曲靖 655000；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；3.南京瑞松信息科技有限公司，南京 210038）

冷热电三联供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）能源供给方式是一种能源生产直接布置在用户侧的能源供给方式，与传统的集中供能方式对比，冷热电联供系统的能源转化效率可以达到75%～80%，在供给相同能量的前提下，冷热电联供系统所需的一次能源仅为传统分供系统的75%左右[1]。

目前冷热电联供系统运行方式采用最多的是以电定热和以热定电两种运行方式，即系统优先满足外界所需电负荷或优先满足外界所需热负荷，但是无论系统采取哪种运行方式，系统都有可能产生不相匹配的热量或者电量[2]。

国内外许多学者对冷热电三联供系统以电定热和以热定电运行方式都进行了不同方面的改进和研究[3-8]。文献[3]对比分析了冷热电联供系统在不同城市，不同环境状态下两种方式对于一次能源消耗量、运行成本和二氧化碳排放量的影响，最后得出两种运行方式均能够不同程度提高系统的运行性能；文献[4]以北京宾馆负荷为用户负荷，研究了联供系统在以电定热和以热定电运行方式下的运行特性，最终得出两种运行方式在冬天的收益更多的结论；文献[5]提出了一个跟随等效电负荷的运行策略，其中等效电负荷包括了电制冷机组制冷所消耗的电负荷，结果表明所提出的跟随等效电负荷的运行策略相对于传统的以电定热和以电定热策略在经济和能效的角度均有一定的优势。

上述研究都对以电定热和以热定电两种运行方式进行一定程度的改进，但是当联供系统较为复杂，优先满足电负荷或者优先满足热负荷，往往出现对运行策略考虑不够周全的情况[9]。

为进一步对复杂冷热电三联供系统的运行方式进行分析，本文以北京通州某基于燃气- 蒸汽联合循环的冷热电三联供系统为例，采用粒子群算法对该冷热电联供系统进行运行优化，并与传统运行方式进行对比，得到不同优化目标下的最优运行方式。

1 基于燃气- 蒸汽联合循环的冷热电三联供的基本原理

本文所研究的冷热电三联供系统示意图如图1所示，它主要由燃气轮机、双压余热锅炉、单抽凝汽式蒸汽轮机、吸收式制冷机、压缩式制冷机和燃气锅炉等设备组成。联供系统中燃气轮机、双压余热锅炉与蒸汽轮机采用“二拖一”运行方式，即两组燃气轮机- 双压锅炉和一台蒸汽轮机相连接。由于所研究系统尚未投入运行，本文假设两个燃气轮机以及两个双压余热锅炉的特性相同。

图1 冷热电三联供系统示意图

冷热电联供系统运行时，高温燃气在燃气轮机燃烧室中进行燃烧，产生的高温烟气在燃气透平中做功，燃气轮机排气的热量进入双压余热锅炉加热给水产生高低压过热蒸汽，其中高压蒸汽送入蒸汽轮机驱动发电，低压蒸汽可以送到蒸汽轮机补充发电，也可以在外界需要冷热负荷的时候，直接送至外界供热或者制冷。蒸汽轮机在对外供电的同时，通过调节抽汽阀门开度，可以很好地适应外界冷热负荷的变化。

2 系统设备数学模型及优化模型

2.1 负荷模型

本文所研究的三联供系统的供能对象为一商务办公建筑群，其能源需求在工作日的逐时负荷变动不大，因此在优化运行时选择24 h 为周期[10]。本文在研究时选择以夏季负荷为研究对象，夏季典型日冷热电负荷分布及热电比分布如图2和图3所示。

从图2中可以看出，用户白天电负荷在（100～110）MW之间波动，中午的时候出现用电低谷，而凌晨以及晚上的时候电负荷则维持在十几兆瓦。

制冷季冷负荷白天一直维持在较高的负荷，这与办公建筑中办公人员的工作习惯有关，一般白天的冷负荷供应保持稳定且不会间断。

从图3可以看出，早上办公建筑群需要预冷一晚上没有供冷的空间，所以需要较大的冷负荷[11]，一直保持在（80～90）MW之间，而电负荷下午时间段会存在下降的趋势，所以白天热电比整体呈现一个轻微上升的趋势；18:00～21:00 之间由于办公人员逐渐减少，电负荷存在一个下降的趋势，此时热电比逐渐出现一个高峰，到夜里再次减少。

图2 夏季典型日冷热电负荷分布

图3 夏季典型日热电比分布

2.2 设备数学模型

2.2.1 燃气轮机模型

燃气轮机采用燃烧室燃料燃烧产生的烟气带动发电机工作进行发电，其主要数学模型如下式所示：

式（1）中，Pegt指燃气轮机的发电功率，MW；Gf指燃气轮机的进口燃料量，kg/s。

2.2.2 双压余热锅炉模型

本文所研究的三联供系统中，双压余热锅炉的进口烟气来自燃气轮机，通过简化模型，本文构建了双压余热锅炉产汽量与燃气轮机燃料量之间的关系。

式（2）中，DHPS和DLPS分别表示双压余热锅炉高压和低压出口蒸汽流量，kg/s。

2.2.3 蒸汽轮机模型

本文所研究系统的蒸汽轮机为单抽式蒸汽轮机，其主蒸汽流量来自两台并列运行的余热锅炉高压蒸汽，其发电量数学模型如下：

式（3）中，DHPS、DLPS和Dex分别表示蒸汽轮机的主蒸汽流量、补汽流量和抽汽流量，kg/s；Δh1、Δh2和Δh3分别表示为主蒸汽焓降、主蒸汽入口至抽汽口焓降和补汽口至凝汽器焓降，kJ/kg；ψ表示蒸汽轮机的补汽口开关状态。

供热参数数学模型如下：

式（4）中，Δhex表示为抽汽焓至回水的焓降，kg/kJ，假设回水温度为30 ℃。

2.2.4 其它设备模型

1）燃气锅炉。

2）吸收式制冷机组。

3）压缩式制冷机组。

4）热回收装置。

式（5）～（8）中，Qh、Qac、Qec和Qb分别表示燃气锅炉补燃供热量、吸收式制冷机组制冷量、压缩式制冷机组制冷量和热回收热量，MW；Qh_h、Qh_ac、Peec和Qh_b分别表示燃气锅炉、吸收式制冷机组、压缩式制冷机组和热回收装置所消耗的热量或者电量，MW；ηh、COPac、COPec和ηb分别表示燃气锅炉效率、吸收式制冷机组制冷系数、压缩式制冷机组制冷系数和热回收装置效率。

2.3 系统优化模型

2.3.1 决策变量的选择

本文所研究的联供系统采用“二拖一”的机组结构运行，通过调节燃气轮机的进口燃料量和蒸汽轮机的供热抽汽阀门开度可以调节系统的发电量和供热量。同时系统在夜间可能存在停机的运行状态，在外界热负荷较低的时候可能存在补汽阀门关闭的状态，因此本文选择两台燃机进口燃料量，供热抽汽份额，燃机的停机状态以及蒸汽轮机补汽口开关状态作为决策变量：

式（9）中，α表示供热抽汽份额；ξ表示燃机的启停状态。

2.3.2 优化目标的确定

本文提出以一次能源能源节约率（Primary Energy Saving,PES）和运行成本节约率（Operation Cost Saving，OCS）两种优化目标对联供系统进行优化。其目标函数如下：

1）一次能源节约率。

式（10）和（11）中，PES表示一次能源节约率；PECSP表示分供系统一次能源消耗量，MW；PECCCHP表示联供系统一次能源消耗量，MW；Pegrid表示联供系统网电购电量，MW；Pespgrid表示分供系统网电购电量，MW；ηgrid和ηplant分别表示网电的传输效率和普通燃煤电厂的发电效率；Gfgt和Gfb分别表示联供系统燃气轮机与燃气锅炉消耗的燃料的能量，MW；Gspfb表示分供系统燃气锅炉消耗的燃料的能量，MW。

2）运行成本节约率。

式（12）～（13）中，Cfuel、Com和Cgrid分别表示为燃料成本、运行成本和网电成本，元；OCSCCHP、OCSSP分别表示联供系统和分供系统的总运行成本，元。

2.3.3 约束条件

1）决策变量的限值约束。

式（14）中，Gfmin和Gfmax分别表示燃气轮机进口燃料量的上下限限值；αmin、αmax分别表示抽汽阀门开度的上下限限值；ξ、ψ分别表示联供系统的启停限制和补汽口的开关限制。

2）其它变量的限值约束。

式（15）表示为燃气锅炉与公共电网的购电量非零限值。

式（16）表示为燃气锅炉与公共电网的购电量非零限值。

3）能量流的等式约束。

式（17）表示为燃气锅炉与公共电网的购电量非零限值。

3 系统优化结果分析

本文采用粒子群算法，基于上述决策变量、优化目标和约束条件进行分析，并将本文所提出的两种优化运行方式与传统的运行方式进行对比分析。

3.1 主要参数设置

在优化分析中本文所采用的主要参数如下：

1）成本参数设置。天然气和电价格见表1。

表1 天然气和电价格

2）设备运行成本设置。设备运行成本见表2。

表2 设备运行成本

3）设备及效率参数。部分决策变量限值见表3。

表3 部分决策变量限值

3.2 燃机启停状态分析

两台燃机在夏季负荷工况下的启停状态如表4所示，其中0、1 和2 分别表示联供系统中燃机启动的数量。

表4 燃机在夏季负荷工况下的启停状态

从表4可以看出，夏季冷负荷较高，白天的电冷负荷均保持较高的数值，所以在四种运行方式下，冷热电联供系统在8:00～17:00 时均维持两台燃机的开启状态；18:00～次日7:00 时，以电定热运行方式下，由于较低的电负荷，联供系统仅维持一台燃机的运行状态。

当燃机在PES 最优和OCS 最优运行方式下运行时，燃机在8:00～20:00 内，燃机均维持两台燃机同时运行，而在夜间23:00～次日7:00 内由于外界的电负荷较低，联供系统在PES 最优方式下运行时，只有一台燃机保持工作状态；但是在OCS 最优运行方式下运行时，燃机均不工作。

3.3 可控参数变化分析

图4为冷热电联供系统在不同运行方式下联供系统参数变化，主要参数包括燃机A 的燃料量、燃机B 的燃料量、蒸汽轮机的供热抽汽份额。

图4 冷热电联供系统在不同运行方式下联供系统参数变化

在白天负荷工况下，联供系统多种运行方式下的两台燃气轮机燃料量基本都维持在最高状态。在20:00 时，以热定电运行方式下联供系统的燃料量上升，原因是此时外界冷负荷需求出现了突变，导致热电比突然增大，系统在优先满足热负荷的情况下，燃料维持在最大工况。

夏季不同运行方式下的供热抽汽份额主要受外界冷负荷的影响，从图4中可以看出，白天冷负荷较高的时候，在以电定热运行方式下，系统优先满足外界电负荷需求，供热抽汽份额只有中午电负荷降低以及傍晚冷负荷下降时候才会出现上升；在以热定电运行方式下，系统供热抽汽份额在白天均处于最大开度状态，维持最大的抽汽供热。在以一次能源节约率最优情况下运行时，系统抽汽量变化与以热定电变化类似，但在运行成本最优时候可以看出，系统在上午峰值电价阶段由于过高的电价，会减少供热抽汽份额以尽可能满足外界电负荷需求，从而减少对于外界网电的购买。

3.4 供需平衡分析

1）电供需平衡分析。

图5为夏季不同运行方式下电能供需平衡图，主要的电供给形式包括燃气轮机发电，蒸汽轮机发电和公共电网购电量。

图5 夏季不同运行方式下电能供需平衡图

从图5中可以看出，夏季在电能供应方面，只有以热定电方式下运行会存在电能的浪费，原因是夏季冷负荷较高，导致了制冷所需的电负荷增加，因此在一次能源节约率最优和运行成本节约率最优的运行方式下，才不会出现低负荷工况下联供系统电能浪费的情况。

在以电定热下运行时，蒸汽轮机的供电量最大，而在以热定电运行方式下蒸汽轮机的供电量最小。对比一次能源节约率最优运行方式与运行成本节约率最优两种运行方式，可以看出，冷热电联供系统的供电方式与冬季负荷类似，在上午9:00～12:00 时刻出现不一样，相对于PES 最优的运行方式，在OCS 最优的运行方式下，系统的蒸汽轮机发电量更多。

2）冷供需平衡分析。

图6为联供系统在夏季不同运行方式下冷供需平衡图，联供系统的冷供应主要通过压缩式制冷机组和吸收式制冷机组对外进行供冷。

图6 联供系统在夏季不同运行方式下冷供需平衡图

对比以电定热与以热定电两种运行方式，从图6中可以看出在以电定热情况下，吸收式制冷机组的热量主要来源于燃气锅炉补燃，部分时刻的存在少量的抽汽供冷；在以热定电运行方式下，吸收式制冷机组的热量主要来源于抽汽与补汽供热。

对比一次能源利用节约率最优与运行成本节约率最优的运行方式，在一次能源节约率最优情况下运行时，系统优先采用抽汽供热满足吸收式制冷的热量需求，而在运行成本节约率最优的运行方式下。系统优先采用燃气锅炉满足吸收式制冷的热量需求。

3.5 指标对比分析

图7为夏季负荷工况下不同运行方式的一次能源节约率的变化情况，从图7中可以看出，夏季典型日最大一次能源节约率在17:00 时刻达到，为0.384 7。中午12 点时候，一次能源节约率除以热定电外，都出现峰值，主要是由于此时的负荷等效热电比增大所导致。对比图3夏季负荷热电比变化可以看出，除12:00 和8:00～20:00 两个热电比突然增大的时间段外，联供系统的一次能源节约率均是以电定热运行方式下最低，主要原因是当系统在以电定热方式下运行时，系统会减少供热抽汽份额，导致系统对能源的梯级利用程度降低，使得一次能源节约率降低。在9:00～11:00 与下午13:00～17:00 时间段内，PES 最优情况下的运行方式均与以热定电重合，说明夏季该时间段内，按照以热定电的方式运行，可以达到最好的一次能源节约率。

图7 夏季负荷工况下不同运行方式下一次能源节约率的变化情况

图8为夏季典型日负荷工况下不同运行方式的运行成本节约率的变化情况，从图8中可以看出联供系统夏季典型日的最大运行成本节约率可以达到0.473 0。图8中还可以看出，与冬季负荷工况类似，夏季典型日工况下的运行成本节约率呈现先增大后减小，再增大趋势，原因是峰时和平时的电价造成的，同时，夏季最大的运行成本节约率也出现在上午，且18:00 与19:00 再次达到一个峰值，原因是此时处于峰时电价，且外界的负荷需求较高所导致。夜间23:00～次日7:00 时刻，可以看出除运行成本节约率最优运行方式，其它三种运行方式的运行成本节约率在该时间段内均小于0。

图8 夏季典型日负荷工况下不同运行方式运行成本节约率的变化情况

4 结语

本文基于冷热电联供系统的实际运行情况，考虑多方面因素，提出了基于一次能源节约率和运行成本节约率的最优运行方式，并以夏季负荷工况为例分析了不同运行方式下的运行策略，结果表明：

1）相较于传统的运行方式，联供系统在本文所提运行方式下运行，能量的浪费小于传统运行方式。

2）在本文所提运行方式下，联供系统的一次能源节约率与运行成本节约率最大值可分别达到0.384 7 和0.473 0。

3）本文所提出的PES 最优运行方式以及OCS 最优运行方式，相对于传统的以电定热和以热定电运行方式，在指标上高于传统的运行方式，在能量浪费上小于传统的运行方式。文中所提出的最优运行方式，无论从指标的角度，还是可行性的角度，都具有一定的实现价值。